[论文解读] A new class of hybrid EoS with multiple critical endpoints for simulations of supernovae, neutron stars and their mergers

O. Ivanytskyi, D. Blaschke|arXiv (Cornell University)|May 6, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用 24

一句话总结

本文提出了一种用于中子星中混合方程态（EoS）的新两区插值方案（TZIS），结合了有限温度效应和夸克物质中的颜色超导性。通过建模连续相变与一级相变，结果表明颜色超导性在超新星坍缩过程中增强了温度演化，使系统能够进入与中子星并合及重离子碰撞相关的QCD相图区域。

ABSTRACT

We introduce a family of equations of state (EoS) for hybrid neutron star (NS) matter that is obtained by a two-zone parabolic interpolation between a soft hadronic EoS at low densities and a stiff quark matter EoS with color superconductivity at high densities within a finite region of baryonic chemical potentials $\mu_B^h < \mu_B < \mu_B^q$. We consider two scenarios corresponding to a cross-over and a strong first-order transition between quark and hadron phases considered at finite and zero temperatures. This allows us to analyze the effects of finite entropy on the EoS and mass-radius relation of NS. We demonstrate that the formation of a color superconducting state of quark matter drives the evolution of matter in supernovae explosions under the condition of entropy conservation to higher temperatures than in the case of deconfinement to normal quark matter. Within the presented hybrid EoS scenario, regions of the QCD phase diagram may be accessible to supernovae and NS mergers that can be reached also in terrestrial experiments with relativistic heavy ion collisions.

研究动机与目标

• 开发两区插值方案（TZIS）的有限温度扩展，用于混合中子星物质。
• 研究颜色超导性对原中子星中夸克-强子相变的影响。
• 分析每重子熵（s/nB）有限效应对原中子星质量-半径关系的影响。
• 评估超新星与双中子星并合环境是否能进入与相对论重离子碰撞中可访问的QCD相图区域。

提出的方法

• 采用两区抛物线插值，将低密度处的软强子EoS与高密度处具有颜色超导性的刚性夸克物质EoS连接。
• 通过沿匹配线 µc(T) 上可调函数 ∆n[µc(T)]，将相变建模为连续相变（连续密度）或一级相变（不连续密度）。
• 夸克物质EoS基于规范密度泛函方法，包含标量二夸克配对，可实现2SC相与颜色超导性。
• 该模型包含有限每重子熵（s/nB），并用于求解原中子星的Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程。
• 采用麦克斯韦构造作为基准，与TZIS结果进行比较。
• 分析了多个临界端点（CEPs）的相图，包括一个高温临界端点和一个由于手征对称性自发破缺与二夸克凝聚竞争而产生的低温临界端点。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限温度如何影响混合中子星物质中夸克-强子相变？
• RQ2 颜色超导性在塑造混合相边界与相变温度方面起什么作用？
• RQ3 每重子熵与温度如何影响原中子星的质量-半径关系？
• RQ4 超新星与双中子星并合环境能否进入与重离子碰撞相关的QCD相图区域？
• RQ5 两区插值方案对QCD相图中临界端点的位置与性质有何影响？

主要发现

• 夸克物质中的颜色超导性使夸克-强子相变温度高于普通夸克物质，推动原中子星演化进入QCD相图中更高温度的区域。
• 具有第一级相变的TZIS在混合相中表现出比麦克斯韦构造更显著的EoS软化，这是由于夸克物质体积分数更大。
• 在 s/nB = 0.5 时，TZIS与麦克斯韦构造均满足所有中子星质量与半径的观测约束（包括 R1.4 ≤13.6 km 和 R1.6 ≥10.68 km）。
• 在 s/nB = 1.0 时，仅麦克斯韦构造（第一级相变）满足约束，而TZIS（n* = 0.15 fm−3）仅显示勉强一致。
• 在 s/nB = 1.5 时，原中子星半径显著增大至 R1.4 ≃16–17 km，表明低密度区域存在强烈的熵驱动软化。
• 该模型揭示了由于手征对称性自发破缺与二夸克凝聚竞争而产生的第二个低温临界端点，使QCD相图结构比以往模型更丰富。